GolangGMP模型 GMP(三):协程让出，抢占，监控与调度

理解

我们已经知道，协程执行time.Sleep时，状态会从_Grunning变为_Gwaiting ,并进入到对应timer中等待，而timer中持有一个回调函数，在指定时间到达后调用这个回调函数，把等在这里的协程恢复到_Grunnable状态，并放回到runq中。

那谁负责在定时器时间到达时，触发定时器注册的回调函数呢？其实每个P都持有一个最小堆，存储在P.timers中，用于管理自己的timer，堆顶timer就是接下来要触发的那一个。

而每次调度时，都会调用checkTimers函数，检查并执行已经到时间的那些timer，不过这还不够稳妥，万一所有M都在忙，不能及时触发调度的话，可能会导致timer执行时间发生较大的偏差。

所以还会通过监控线程来增加一层保障，在介绍HelloGoroutine（GMP一）的执行过程时，我们提过监控线程是由main goroutine创建的，这个监控线程与GMP中的工作线程不同。并不需要依赖P，也不由GMP模型调度，它会重复执行一系列任务，只不过会视情况调整自己的休眠时间。其中一项任务便是保障timer正常执行，监控线程检测到接下来有timer要执行时，不仅会按需调整休眠时间，还会在空不出M时创建新的工作线程，以保障timer可以顺利执行。

当协程等待一个channel时，其状态也会从_Grunnig变成_Gwaiting，并进入到对应的channel的读队列或写队列中等待。

如果协程需要等待IO事件，就也需要让出，以epoll为例，若IO事件尚未就绪，需要注册要等待的IO事件到监听队列中，而每个监听对象都可以关联一个event data。所以就在这里记录是哪个协程在等待，等到事件就绪时再把它恢复到runq中即可 。

不过timer计时器有设置好的触发时间 ，等待的channel可读可写或关闭了，也自会通知到相关协程，而获取就绪的IO时间需要主动轮询，所以为了降低IO延迟，需要时不时的那么轮询一下，也就是执行netpoll。实际上监控线程，调度器，GC等工作过程中都会按需执行netpoll。

全局变量sched中会记录上次netpoll执行的时间，监控线程检测到距离上次轮询已超过了10ms，就会再执行一次netpoll。

上面说的无一例外，都是协程会主动让出的情况，那要是一个协程不会等待timer，channel或者IO事件，就不让出了吗？那必须不能啊，否则调度器岂不成了摆设？那怎么让那些不用等待的协程”让出“呢，这就是监控线程的另一个工作任务了，那就是本着公平调度的原则，对运行时间过长的G，实行”抢占“操作。

就是告诉那些运行时间超过特定阈值(10ms)的G，该让一让了，怎么知道运行时间过长了呢，P里面有一个schedtick字段，每当调度执行一个新的G，并且不继承上个G的时间片时，就会把它自增1，而这个p.sysmontick中，schedwhen记录的是上一次调度的时间，监控线程如果检测到p.sysmontick.schedtick与p.schedtick不相等,说明这个P又发生了新的调度，就会同步这里的调度次数，并更新这个调度时间。

但是若2者相等，就说明自schedwhen这个时间点之后，这个P并未发生新的调度，或者即使发生了新的调度，也延用了之前G的时间片，所以可以通过当前时间与schedwhen的差值来判断当前G是否运行时间过长了。

那如果真的运行时间过长了，要怎么通知它让出呢？这就不得不提到栈增长了，除了对协程栈没什么消耗的函数调用，Go语言编译器都会在函数头部插入栈相关代码。实际上编译器插入的栈增长代码一共有三种。注意这里为什么是”<=“,栈是向下增长的，上面是高地址，下面是低地址

果栈帧比较小，插入的代码就是这样的，这个SP表示当前协程栈使用到了什么位置，stackguard0是协程栈空间下界，所以当协程栈的消耗达到或超过这个位置时，就需要进行栈增长了。

如果栈帧大小处在_StackSmall和_StackBig之间，插入的代码是这样的，也就是说，当前协程栈使用到这里，若再使用framesize这么多，超出stackguard0的部分大于_StackSmall了，就要进行栈增长了

而对于栈帧大小超过_StackBig的函数，插入的代码就有所有不同了，判断是否要栈增长的方式，本质上同第二种情况相同，而我们要关注的，是这里的stackPreempt ，它是和协程调度相关的重要标识，当runtime希望某个协程让出CPU时，就会把它的stackguard0赋值为stackPreempt。这是一个非常大的值，真正的栈指针不可能指向这个位置，所以可以安全的用作特殊标识。

正因为stackPreempt这个值足够大，所以这两段代码种的判断结果也都会为true，进而跳转到morestack处。

而morestack‘这里，最终会调用runtime.newstack函数，它负责栈增长工作，不过它在进行栈增长之前，会先判断stackguard0是否等于stackPreempt，等于的话就不进行栈增长了，而是执行一次协程调度。

所以在协程不主动让出时，也可以设置stackPreempt标识，通知它让出。

不过这种抢占方式的缺陷，就是过于依赖栈增长代码，如果来个空的for循环，因为与栈增长无关，监控线程等也无法通过设置stackPreempt标识来实现抢占，所以最终导致程序卡死。

这一问题在1.14版本中得到了解决，因为它实现了异步抢占，具体实现在不同平台种不尽相同。例如在Unix平台中，会向协程关联的M发送信号(sigPreempt),接下来目标线程会被信号中断，转去执行runtime.sighandler，在sighandler函数中检测到函数信号为sigPreempt后，就会调用runtime.doSigPreempt函数，它会向当前被打断的协程上下文中，注入一个异步抢占函数调用，处理完信号后sighandler返回，被中断的协程得以恢复，立刻执行被注入的异步抢占函数， 该函数最终会调用runtime中的调度逻辑，这不就让出了嘛。所以在1.14版本中，这段代码执行之前就不会卡死了。

而监控线程的抢占方式又多了一种，异步抢占，其实为了充分利用CPU，监控线程还会抢占处在系统调用中的P，因为一个协程要执行系统调用，就要切换到g0栈，在系统调用没执行完之前，这个M和这个G算是抱团了，不能被分开，也就用不到P，所以在陷入系统调用之前，当前M会让出P，解除m.p与当前p的强关联，只在m.oldp中记录这个p，P的数目毕竟有限，如果有其他协程在等待执行，那么放任P如此闲置就着实浪费了，还是把它关联到其他M继续工作比较划算，不过如果当前M从系统调用中恢复，会先检测之前的P是否被占用，没有的话就继续使用，否则就再去申请一个，没申请到的话，就把当前G放到全局runq中去，然后当前线程m就睡眠了。

说了这么多，不是让出就是抢占。

那让出了，抢占了之后，M也不能闲着，得找到下一个待执行的G来运行，这就是schedule()的职责了。schedul这里要给这个M找到一个待执行的G，首先要确定当前M是否和当前G绑定了，如果绑定了，那当前M就不能执行其他G，所以需要阻塞当前M，等到当前G再次得到调度执行时，自会把当前M唤醒。如果没有绑定，就先看看GC是不是在等待执行,全局变量sched这里，有一个gcwaiting标识，如果GC在等待执行，就去执行GC，回来再继续执行调度程序。接下来还会检查一下有没有要执行的timer。调度程序还有一定几率会去全局runq中获取一部分G到本地runq中。

而获取下一个待执行的G时，会先去本地runq中查找，没有的话，就调用findrunnable(),这个函数直到获取到待运行的G才会返回。在findrunnable()函数这里，也会判断是否要执行GC，然后先尝试从本地runq中获取，没有的话就从全局runq获取一部分，如果还没有，就先尝试执行netpoll，恢复那些IO事件已经就绪了的G，它们会被放回到全局runq中，然后才会尝试从其他P那里steal一些G 。

当调度程序终于获得一个待执行的G以后，还要看看人家有没有绑定的M，如果有的话还得乖乖的把G还给对应的M。而当前M就不得不再次进行调度了。如果没有绑定的M，就调用excute函数在当前M上执行这个G。excute函数这里会简历当前M和这个G的关联关系，并把G的状态从_Grunnable修改为_Grunning,如果不继承上一个执行中协程的时间片，就把P这里的调度计数加一，最后会调用gogo函数，从g.sched这里恢复协程栈指针，指令指针等，接着继续协程的执行。

之前介绍过，协程创建时，会伪装一个执行现场存到g.sched中，所以即使这个G初次执行，也是有一个完美的执行现场的。

现在我们已经知道，协程在某些情况下会主动让出，但有时也需要设置stackPreemt标识，或异步抢占的方式来通知它让出。也了解了调度程序如何获取待执行的G并把它运行起来。期间还穿插介绍了监控线程的主要工作任务”保障计时器正常工作，执行网络轮询，抢占长时间运行的，或处在系统调用的P“，这些都是为了保障程序健康高效的执行，其实监控线程还有一项任务，就是强制执行GC，待到内存管理部分再展开~